Разработка композиционных материалов на основе соединений силиката натрия и каолина

Определены эксплуатационные свойства разработанных сорбционно-активных материалов: общая и открытая пористость, общий объём и объём открытых пор (V_от), механическая прочность гранул (табл. 3). Установлено, что смешение и гранулирование композиции из каолина и натриевого ЖС позволяет получать высокопрочный материал (до 9,5 МПа), для которого, однако, в виду введения добавки щелочного типа, характерно снижение общей пористости (в 1,2-1,3 раза).

С другой стороны, каолин, активированный УК, характеризуется довольно высоким объёмом открытых пор (0,40 см³/г), но низкой прочностью 0,5 МПа. Последующее использование в качестве дисперсионной среды натриевого ЖС приводит к уменьшению объёма открытых пор на 20-30 %, но прочность гранул, несмотря на введение силиката натрия, остаётся незначительной (табл. 3, обр. 5). Добавление ЖСК (табл. 3, обр. 6) также способствует, некоторому снижению (до 0,33 см³/г) показателя V_от по сравнению с материалом «каолинУКвода». При этом общая пористость гранул существенно не изменяется и остаётся значительной (~ 63 %).

В пятой главе рассматривается возможность использования разработанных материалов из каолина и натриевого жидкого стекла для очистки растительных масел - от свободных жирных кислот (СЖК), восков, перекисных соединений, компонентов пигментного комплекса и ионов тяжёлых металлов.

Для опытов использовали соевое, подсолнечное, льняное и оливковое масла. Каолин, обработанный УК, в смеси с водой, несмотря на пористость 63 %, оказался неактивен в отношении компонентов пигментного комплекса соевого масла и восков, не говоря уже о СЖК. Это указывает на необходимость проведения щелочной активации неорганического сорбента после кислотной. Введение в композицию ЖС взамен воды позволяет сократить в 2 раза содержание перекисных соединений в соевом масле; кислотное число снижается на 10 %.

Введение же модифицированного карбамидом силиката натрия в состав сорбента позволяет добиться ощутимого эффекта по выделению из соевого масла СЖК (концентрация снижается на 60 %), перекисных (в 1,8 раз) и восковых соединений (в 1,5 раз), однако компоненты пигментного комплекса при этом выделяются слабо (5 %). Однако после контакта масла с гранулированными сорбентами, включающими ЖС и систему «ЖСкарбамид», в них в 5-14 раз снижается содержание катионов меди. Отмечено, что присутствие карбамида в составе сорбционно-активного материала ярко сказывается в отношении выделения из растворов ионов Cu²⁺ и Ni²⁺, в меньшей степени Zn²⁺ и слабо проявляется в отношении соединений железа. Полученные результаты находятся в корреляции с опытными данными по физико-химическим свойствам очищенных масел значениями кислотных и перекисных чисел. Выявлено, что гранулированный образец «каолин - жидкое стекло - карбамид» не только эффективно удаляет примеси из растительных масел, но и обладает высокой прочностью, что играет важную роль при его транспортировке.

Для сравнения был получен порошковый модифицированный сорбент - путём обработки поверхности каолина щелочным (перкарбонат натрия в отношении 1:10) и кислотным реагентами (20-25 %-ные растворы фосфорной кислоты), сушки при 105-110 °С и измельчения в фарфоровой ступке. Установлено, что уже при расходе такого сорбента 0,3 мас. % содержание меди в образцах подсолнечного и льняного масел, обработанных при 60-70 ^оС в течение 20 мин, снижается в 2,3-3,0 раза, никеля - в 1,9-2,5 раз, при малом (6-20 %) увеличении концентрации железа, привносимого, вероятно, с материалом сорбента. При введении в такие масла гранулированных сорбентов отпадает необходимость фильтрации растворов триглицеридов.

В ходе формования каолина с натриевым ЖС удаётся обеспечить достаточную механическую прочность сорбционно-активного материала (? 10 МПа), и в то же время защелачивание его положительно сказывается на выделении из подсолнечного масла катионов Zn²⁺. Приемлемый совокупный результат очистки, с учётом значений перекисных чисел масел, достигается при относительно высоком расходе гранулированного сорбента до 10 мас. % Проблема, казалось бы, может быть решена модификацией каолина уксусной кислотой либо смешением каолина с ЖС, обработанным карбамидом при повышенной температуре. Выявлено, что контакт 5 мас. % гранулированного сорбента «каолин-УК» с подсолнечным маслом обеспечивает удовлетворительную деметаллизацию, особенно по части ионов Cu²⁺ и Fe²⁺ (содержание последних < 1,5 мг/кг); перекисное число очищенного масла составляет ? 13 мг-экв О₂/кг. Однако прочность гранул сорбента при этом остаётся неудовлетворительной.

В свою очередь, из смеси каолина и ЖСК были получены гранулированные сорбенты, активные в отношении меди; расход материала 3-5 мас.%. Хотя они и не обеспечивают столь же эффективного выделения из масел ионов Zn²⁺ и Fe²⁺, высокие антиокислительные свойства очищенных растворов служат в пользу использования данных сорбентов на предприятиях масложировой промышленности.

Кроме того, были получены регрессионные уравнения, связывающие эффективность очистки на фильтре наиболее употребляемых в фармацевтической химии растительных масел с параметрами восковых кристаллов, определяемых микроскопическим методом и полученных после введения каолина и выдержки систем при 12 ^оС. При этом удаётся прогнозировать полноту выделения на каолине примесных восков, содержащихся в растительных маслах. Он менее трудоёмок по сравнению с гравиметрическим контролем восков в очищенных маслосодержащих средах и может использоваться в таких областях науки, как фармакология, пищевая химия и биохимия.

В шестой главе представлены схемы производства одноупаковочных красок на основе жидкого стекла с добавками каолина, золы-уноса ТЭС, и молотого стекла, а также с использованием шламов электрохимических производств и цинксодержащего отхода производства ронгалита. Процесс изготовления силикатной краски, содержащей каолин, включает стадии: приготовление модифицированного жидкого стекла; приготовление пигментной пасты; перетир пигментной пасты; приготовление пигментированного композиционного материала; фасовка готового продукта в тару.

Внедрение схемы не требует расширения производственных площадей и внесения существенных изменений в технологию производства одноупаковочных материалов, описанную в литературных источниках. При введении шламов электрохимических производств и цинксодержащего отхода производства ронгалита технология существенно упрощается, поскольку из цикла исключаются стадии приготовления и перетира пигментной пасты.

Спецификации рекомендуемого оборудования для приготовления защитно-декоративных композиционных материалов подчёркивают простоту предлагаемых схем, указывают на незначительные трудо- и энергозатраты при их реализации. Гарантийный срок жизнеспособности разработанных одноупаковочных красок составляет 4 мес. Общее время на изготовление материалов, включая расфасовку, упаковку и маркировку, не превышает 7 ч.

Также предложена схема производства гранулированных сорбционно-активных композиционных материалов, включающая следующие стадии: приготовление формовочной массы из каолина, раствора натриевого жидкого стекла плотностью 1,35-1,42 г/см³ и модулем 2,9-3,3 и воды; экструзионное формование; ультразвуковая резка; сушка гранул при температуре 110-115 ^оС в течение 5-6 ч.

ВЫВОДЫ

1. Впервые разработаны новые композиционные материалы - краски, обладающие комплексом улучшенных физико-химических свойств, на основе модифицированного силиката натрия и каолина, а также неорганических промышленных отходов, и гранулированные сорбенты из каолина с добавками натриевого жидкого стекла, активные в отношении примесных веществ растительных масел - катионов тяжёлых металлов, свободных жирных кислот, перекисных соединений и восков.

2. Впервые научно обоснована взаимосвязь физико-химических и структурно-механических характеристик смесей силиката натрия, модифицированного 10 мас. % карбамида и бутадиенстирольным латексом в количестве 10-35 мас. %, с привлечением в состав пигментной части каолина (0-100 мас. %) и неорганических отходов молотого стекла (до 6 мас. %), золы ТЭС (12-50 мас. %), отхода производства ронгалита (100 мас. %). Жизнеспособность разработанных силикатных материалов достигает 120 сут.

3. Показано, что кроющая способность композиций из соединений модифицированного силиката натрия, мела, талька и золы-уноса ТЭС повышается в 2 раза по сравнению с промышленными композициями, включающими соединения цинка, и на 13-25 % по сравнению с композициями, включающими Fe₂O₃; твёрдость покрытий возрастает в 1,3-1,5 раз.

4. Введение в композицию на основе натриевого жидкого стекла плотностью 1,351,42 г/ см³ и модулем 3,3, обработанного карбамидом в количестве 10 мас. %, до 25 мас. % бутадиенстирольного латекса, а в состав пигментной части, дополнительно к мелу, 1530 мас. % каолина взамен диоксида титана даёт водоустойчивые одноупаковочные краски, гарантийный срок хранения которых без загустевания составляет 4 мес. В качестве сопутствующего наполнителя композиций светлых тонов рекомендован тальк, а железный сурик (20-30 мас. %) пригоден для формирования цветовых пигментных смесей, содержащих мел и каолин (~15 мас. %). Количество мела в пигментной части композиций должно составлять не менее 50-55 мас. %.

5. Выявлено, что лучшее распределение цинксодержащего отхода производства ронгалита в растворе неорганического полимера достигается при отношении отход: модифицированное жидкое стекло = 1:1, при этом содержание латекса в композиции не превышает 2025 мас. % при малом количестве вводимой воды (до 5 мас. %). Уменьшение доли модифицированного ЖС c 36 до 27,5 мас. % за счёт повышения содержания твёрдой фазы до 45 мас. % приводит к снижению жизнеспособности композиций на два порядка.

6. Экспериментально доказана возможность утилизации шламовых паст электрохимических производств в составах модифицированного силиката натрия. Содержание тяжёлых металлов в водных вытяжках, попадающих в канализацию после смывки покрытий под действием нагрузки 20 Н, составляет (мг/л): Cu 0,12…1,06; Ni 0,004…0,220; Fe 0,41…3,30; Zn 0,020…0,060; Cr (III) 0,012…0,040; Pb 0,007…0,038; Cd не обнаружен.

7. Предложены технологические схемы получения экологически малоопасных силикатных красок с повышенными защитными свойствами.

1. Прокофьев, В. Ю. Исследование реологических свойств суспензий на основе каолина и органических кислот / В. Ю. Прокофьев, П. Б. Разговоров, К. В. Смирнов, А. П. Ильин // Изв. вузов. Химия и химическая технология. - 2006. - Т. 49. - Вып. 12. - С. 48 - 52.

2. Разговоров, П. Б. Возможности количественного определения восковых осадков в неочищенных растворах триглицеридов с добавками алюмосиликатов / П. Б. Разговоров, К. В. Смирнов // Сб. тез. докл. - Иваново: Изд-во ИХР. - 2006. - С. 77 - 78.

3. Разговоров, П. Б. К вопросу моделирования комплексообразования кремнийсодержащих и восковых соединений / П. Б. Разговоров, К. В. Смирнов // Сб. тез. докл. - Иваново: Изд-во ИХР. - 2006. - С. 78 - 79.

4. Разговоров, П. Б. Оптимизация процесса выделения восков из растительных масел в присутствии затравочного материала каолина / П. Б. Разговоров, С. В. Ситанов, К. В. Смирнов, С. В. Макаров, И. А. Разговорова // Изв. вузов. Химия и химическая технология. - 2007. - Т. 50. - Вып. 2. - С. 49 - 53.

5. Разговоров, П. Б. Утилизация электрохимических отходов в технологии производства силикатной краски / П. Б. Разговоров, В. Ю. Прокофьев, К. В. Смирнов // Гальванотехника и обработка поверхности. - 2007. - Т. XV. - №. 2. - С. 40 - 44.

6. Прокофьев, В. Ю. Очистка льняного масла на модифицированной белой глине / В. Ю. Прокофьев, П. Б. Разговоров, К. В. Смирнов, А. П. Ильин, Е. А. Шушкина // Изв. вузов. Химия и химическая технология. - 2007. - Т. 50. - Вып. 6. - С. 56 - 59.

7. Прокофьев, В. Ю. Экструзионное формование сорбентов на основе каолина / В. Ю. Прокофьев, П. Б. Разговоров, К. В. Смирнов, Е. А. Шушкина, А. П. Ильин // Стекло и керамика. - 2007. - № 8. - С. 29 - 32.

8. Разговоров, П. Б. Способы и контроль деметаллизации растительных масел / П. Б. Разговоров, К. В. Смирнов // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: сб. тр. - Барнаул: Изд-во Алт. ун-та. - 2007. Кн. 2. - С. 306 - 310.

9. Разговоров, П. Б. К вопросу обработки природных материалов органическими кислотами, выделенными из растительного сырья / П. Б. Разговоров, К. В. Смирнов // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: сб. тр. - Барнаул: Изд-во Алт. ун-та. - 2007. Кн. 3. - С. 23 - 26.

10. Разговоров, П. Б. Использование отходов электрохимических производств в технологии силикатной краски / П. Б. Разговоров, К. В. Смирнов // Сб. тр. IV Междунар. конф. «Покрытия и обработка поверхности». - М: Изд-во РХТУ им. Д.И. Менделеева. - 2007. - С. 118 - 119.

11. Заявка 2006112305/13 Российская Федерация. Способ очистки растительных масел от восков / Разговоров П. Б., Макаров С. В., Пятачков А. А., Прокофьев В. Ю., Володарский М. В.; заявл. 13.04. 2006; решение о выдаче патента РФ 02.07.2007.

12. Заявка 2006124498/15 Российская Федерация. Способ получения гранулированного цеолита типа А / Прокофьев В. Ю., Разговоров П. Б., Смирнов К. В., Ильин А. П., Гордина Н. Е.; заявл. 07.07. 2006; решение о выдаче патента РФ 16.07.2007.

Размещено на Allbest.ru